JP4517734B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や車両の操舵系にモータによる操舵補助力を付与するようにした電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳという）の改良に関する。

一般に、この種のＥＰＳでは、車両側でバッテリーが劣化したり、使用負荷が増大した状態で、ＥＰＳを動作させると、電源電圧が低下することがあった。電源電圧が低下した状態では、モータ駆動回路で使用されるＦＥＴのゲート駆動電圧が低下する。この場合、図７に示すように、ＦＥＴのゲート−ソース間の電圧（Ｖ_ＧＳ）が低下すると、ドレイン−ソース間のオン抵抗（Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}）が急激に大きくなる。ちなみに、最大駆動電流ＩmaxとＦＥＴの許容電力値Ｐとの間には、次のような関係がある。すなわち、Ｐ＝Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}・Ｉmax^２である。ここで、ＰはＦＥＴの許容電力値、Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}はＦＥＴのソース−ドレイン間のオン抵抗であり、Ｉmaxは、ＦＥＴに流せるモータ最大電流である。その結果、モータの駆動制御の際、Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}が大きくなると、電力損失が大きくなってしまう。そのため、電源電圧が低下すると、ＦＥＴの電力損失による発熱によってＦＥＴが破壊されたり、焼損するという故障を発生する恐れがあった。

また、電源電圧が著しく低下すると、トルクセンサへの供給電圧が低下するため、通常電圧時のセンサ特性（実線）は、図８に示すように、電圧低下時のセンサ特性（破線）で示すように低下する。例えば、操舵中立時のセンサ出力を２．５Ｖとした場合、同図上ｓ１だけハンドルの中立位置がずれてしまい、モータの電流特性も、図９に示すように、ハンドルの中立位置から同図上ｓ２だけずれてしまう。そのため、左操舵で軽く、右操舵で重いというハンドル操舵力の左右差が生じ、ひどくなるとハンドル取られなどが生じてしまい、操舵感が悪化するという問題があった。その結果、従来のＥＰＳでは、電源電圧が低下して、ある電圧値以下になると、ＥＰＳの出力を強制的にＯＦＦにし、アシストを停止していた。

例えば、特許文献１には、電源電圧検出手段と、フェードアウト制御手段とを備え、車載電源の電源電圧信号を検出して、基準値と比較し、電源電圧信号が一定時間連続して第一基準値以下の時には目標電流信号を時間とともに減少させ、電動機の電流を時間とともに減少させることにより補助操舵力を徐々に減少させるが、第一基準値より小さい第二基準値以下になると、目標電流信号を０にして、アシストを停止するようにしたものが開示されている。

また、例えば特許文献２には、電圧検出手段と、電流制限値設定手段と、電流制限手段とを備え、電源の給電ラインのいずれかの電圧を検出して、この検出値が電流制限値を超えないようにモータ電流を制限して、電源電圧の低下に応じて小さくなる電流制限値を設定し、モータ電流が電流制限値に達しないような軽い操舵であれば、通常の操舵力のアシストが得られるようにしたものが開示されている。
特許第３３２８５９５号公報 特公平６−１５３３１号公報

ところが、上記従来のものでは、電源電圧信号を検出し、その検出値が基準値（電流制限値）より小さくなると、アシストを直ちに停止し、ＦＥＴの発熱に起因した弊害を防止していた。すなわち、前者の場合、第一基準値で電流を減少させ、第二基準値に達するとアシストを停止させ、後者の場合、電流制限値より小さくなるとアシストを停止させるようになっていた。そのため、特にＥＰＳの出力が大きい場合など、車載電源の電圧が基準値より低下する毎に、頻繁にアシストが停止してしまうという問題があった。その結果、操作性の低下やフィーリングの悪化などを招き、ＥＰＳの商品性を著しく損なう結果を招来するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、車載電源の電源電圧が著しく低下した場合に備えて、ＥＰＳの出力を多段階で抑制するようにし、アシストが容易に停止しないようにするとともに、ＦＥＴの焼損や破壊などの故障を未然に防止し、かつハンドルの中立位置のずれに伴う違和感を低減することにある。

本発明の上記目的は、トルクセンサからのトルク信号に基づいて、コントロールユニットによって電動モータの作動を制御し、減速機構を介してステアリングシャフトの操舵補助を行うようにした電動パワーステアリング装置において、前記コントロールユニットに、車載電源の電源電圧信号を検出する電源電圧検出手段と、該電源電圧検出手段によって検出された電源電圧に基づいて、出力を多段階で抑制する出力抑制手段とを備え、前記出力抑制手段により、電源電圧が低下し、第１基準値（Ｖ１）になった時に、前記電動モータの最大駆動電流を制限し、前記第１基準値（Ｖ１）より小さく、かつ前記トルクセンサからの出力が低下するような電源電圧値である第２基準値（Ｖ２）になった時に、モータ制御出力ゲインを低減し、前記第２基準値（Ｖ２）より小さい第３基準値（Ｖ３）になった時に、出力をオフにすることにより、達成される。

また、上記目的は、前記出力抑制手段に、電源電圧が低下して、前記第１基準値（Ｖ１）より小さくなると、最大電流を制限する最大電流制限手段と、電源電圧が前記第２基準値（Ｖ２）より小さくなると、モータ制御の出力ゲインを低減する操舵補助指令値演算部とを備えたことにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記出力抑制手段に、電源電圧が低下して、前記第１基準値（Ｖ１）より小さくなると、最大電流を制限する最大電流制限手段と、電源電圧が前記第２基準値（Ｖ２）より小さくなると、前記トルクセンサからの出力に予め設定されたオフセットを付加する操舵トルク演算部とを備えることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記出力抑制手段を、電源電圧が低下して、前記第２基準値（Ｖ２）より小さくなると、前記出力ゲインを低減するとともに、前記トルクセンサからの出力に予め設定されたオフセットを付加して、ハンドルの中立位置のずれを補正するようにしたことにより、効果的に達成される。

以上のように、本発明に係る電動アクチュエータ装置の制御装置によると、コントロールユニットに出力を多段階で抑制する出力抑制手段を備え、電源電圧が低下し、第１基準値（Ｖ１）になった時に、電動モータの最大駆動電流を制限し、第２基準値（Ｖ２）になった時に、出力ゲインを低減し、また、トルク信号にオフセットを付加し、第３基準値（Ｖ３）になった時に、出力をオフにするようにした。すなわち、電源電圧が低下しても、第１段階では最大駆動電流値で制限し、第２段階では出力ゲインを低減するとともに、トルク信号に所定のオフセットを付加するようにした。その結果、電源電圧の低下に伴ってトルクセンサ出力が低下しても、従来より低い電源電圧まで、ＥＰＳの出力をＯＦＦにすることなく、ＦＥＴの電力損失の増大に起因した発熱でＦＥＴの破壊・焼損などの故障が発生するのを効果的に防止し、また、ハンドルの中立位置ずれに伴う違和感を大幅に低減して、良好な操舵感を得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、電動パワーステアリング装置の概略構成を示す図であり、操向ハンドル１の軸２はユニバーサルジョイント４ａおよび４ｂ、ピニオンラック機構５を経て、操向車輪のタイロッド６に結合されている。軸２は、操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ７が設けられていて、操向ハンドル１の操舵力を補助するモータ８が、減速ギア３を介して軸２に結合されている。

また、ＥＰＳの制御手段としてのコントロールユニット１０には、バッテリー１１から電力が供給され、コントロールユニット１０は、トルクセンサ７で検出された操舵トルクに基づいて、電流指令値の演算を行い、該電流指令値に基づいてモータ８に供給する電流を制御するようになっている。なお、１２はヒューズであり、１３はイグニッションスイッチである。

また、図２は、ＥＰＳの制御系の概略構成を示す。同図において、ステアリング機構に操舵補助力を与えるモータ８は、電流ドライブ回路２１を介してコントロールユニット１０内で演算された電流指令値に基づいて制御される。すなわち、コントロールユニット１０は、トルクセンサ７およびモータ８から、トルク信号やモータ端子電圧信号を受け、所定の制御によって電流ドライブ回路２１に、電流指令値としての操舵補助指令値を出力するようになっている。

また、操舵トルク演算部２２は、トルクセンサ７からのトルク信号をＡ／Ｄ変換器２３を介して入力して、トルク信号に所定の演算を行った後、センタ応答性改善部２５と操舵補助指令値演算部２６に出力するようになっている。このセンタ応答性改善部２５では、ステアリング中立付近の制御応答性を高め、滑らかでスムーズな操舵を実現し、また、操舵補助指令値演算部２６では、電流指令値としての操舵補助指令値を演算した後、位相補償部２７で、制御系の安定性と応答性を調整するようになっている。

また、モータ８の端子電圧は、モータ角速度推定部２８に入力され、モータ８の端子電圧に基づいて角速度を演算する。このモータ角速度推定部２８からの角速度信号は、モータ角加速度推定部２９に出力され、該モータ角加速度推定部２９で角加速度を演算した後、慣性補償部３０で、モータ８の慣性を加減速させるトルクを操舵トルクから排除する。また、モータ角速度推定部２８からの角速度信号は、ヨーレート推定部３１を経て、収れん制御部３２に入力され、車両のヨーの収れん性を改善するようになっている。

さらに、前記位相補償部２７および収れん制御部３２からの信号は、それぞれ加算器３３を経てロバスト安定化補償部３４に入力され、該ロバスト安定化補償部３４で、所定の特性式に基づいて、検出されたトルク信号に含まれる慣性要素とバネ要素からなる共振系の共振周波数におけるピークを除去し、制御系の安定性と応答性を阻害する共振周波数の位相のずれを補償する。このロバスト安定化補償部３４からの出力は、センタ応答性改善部２５および慣性補償部３０からの出力とともに、加算器３５で加算された後、最大電流制限部３６に入力される。

また、最大電流制御部３６からの電流指令値は、モータ８の駆動電流を検出するモータ電流検出回路（図示せず）からフィードバックされるモータ電流値とともに、電流制御部３７に入力される。この電流制御部３７では、これらの信号に基づいて、モータ制御信号を演算して電流ドライブ回路２１に出力し、モータ８の駆動制御を行うようになっている。

そして、コントロールユニット１０には、車載バッテリー１１の電源電圧を検出する電源電圧検出手段３９を備え、該電源電圧検出手段３９で検出された電源電圧信号は、前記操舵トルク演算部２２、操舵補助指令値演算部２６、および最大電流制限部３６に出力される。これらの操舵トルク演算部２２、操舵補助指令値演算部２６、および最大電流制限部３６によって、ＥＰＳの出力を段階的に抑制する出力抑制手段が構成され、ＦＥＴの電力損失の増大を抑えるとともに、ハンドルの操作上の違和感を緩和するようになっている。

すなわち、前記出力抑制手段により、最大電流制限部３６で、図３に示すように、電源電圧が低下して、第１基準電圧値（Ｖ１）よりも小さくなると、図４に示すように、ハンドル右切りで操舵角がθ１を超えたり、又は左切りで操舵角がθ２を超えると、最大電流は、図４破線で示す値（Ｉ_ｍａｘ＝√（Ｐ／Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}））に制限される。これにより、電流ドライブ回路２１で使用されるＦＥＴの駆動電圧が低下して、ＦＥＴのドレイン−ソース間のオン抵抗が大きくなっても、モータ駆動電流を小さくして、ＦＥＴの電力損失の増大を抑えて、ＦＥＴの急激な発熱を防止することができる。

また、電源電圧がさらに低下して、トルクセンサ出力が低下する第２基準電圧値（Ｖ２）より小さくなると、操舵補助指令値演算部２６で、モータ制御用のアシストマップにおける出力ゲインを低減させ、図５に示すように、モータの電流特性の立ち上がり特性を小さくする。その結果、モータの電流特性は、通常の特性（図５実線）から出力ゲインの低減時の特性（図５破線）に変化し、トルクセンサ出力の低下に起因してハンドルが左に取られるなど、操作上の違和感を緩和することができる。

その際、操舵トルク演算部２２では、電源電圧が第２基準電圧値（Ｖ２）よりも小さくなると、図６に示すように、トルクセンサ７からの出力値に所定のオフセット分ｆを付加するような演算が行われる。このオフセット量は、電源電圧と相関関係があって予測可能であるので、予め所定のオフセット量を設定することができる。すなわち、電圧が低下すると、センサの出力特性（図６破線）は、図６に示すように、通常時の特性（図６実線）から次第に下方にずれる。そのため、図６矢印で示す方向にオフセットを付加することによってセンサの出力特性をシフトさせると、オフセット補正後の出力特性は、同図一点鎖線のようになる。これにより、モータの電流特性は、図５の一点鎖線で示すように、ハンドルの中立位置のずれが補正される。よって、電源電圧が第２基準電圧値（Ｖ２）よりも小さくなり、トルクセンサ出力が低下しても、トルクセンサ７の出力に所定のオフセット分が付加され、見かけ上、ハンドルの中立位置のずれが解消され、ハンドル操作上の違和感を緩和することができる。

この場合、電源電圧が低下して、第２基準電圧値（Ｖ２）より小さくなると、モータ制御の出力ゲインを低減させずに、モータ電流の立ち上がり特性をそのままの状態にし、トルクセンサ７からの出力に所定のオフセット分を付加するオフセット補正のみを行い、ハンドルの中立位置のずれを補正するようにしてもよく、ハンドル操作上の違和感を緩和することができる。

そして、電源電圧が低下して、第３基準電圧値（Ｖ３）より小さくなった場合、出力をＯＦＦにして、ＦＥＴの焼損などの破壊を未然に防止することができる。

従って、コントロールユニット１０では、車載電源の電源電圧の低下に応じて多段階で出力を抑制するようにした。すなわち、電源電圧が、第１基準電圧値（Ｖ１）以下になると、最大電流制限分３６によってモータ８の最大駆動電流を制限し、トルクセンサ出力が低下するような第２基準電圧値（Ｖ２）以下になると、操舵補助指令値演算部２６および操舵トルク演算部２２によって出力ゲインを低減し、また、トルクセンサ７からのトルク信号にオフセット分を付加するようにした。これにより、電源電圧が低下しても、それに応じて電流ドライブ回路２１で使用されるＦＥＴの駆動電流を小さくし、ＦＥＴの電力損失の増加を抑え、ＦＥＴの急激な発熱を防止できる。

また、トルクセンサ出力の低下を考慮して、出力ゲインを低減したり、トルク信号に所定のオフセット分を付加するようにしたので、電源電圧が従来の制限値より低くなっても第２基準電圧値（Ｖ２）までは、ＥＰＳの出力をＯＦＦにすることなく、ＦＥＴの破壊や焼損などの故障の発生を効果的に防止でき、かつハンドルの中立位置のずれに伴う違和感を緩和することができる。

電動パワーステアリング装置の一般的な構成を示す機構図である。 本発明に係る電動パワーステアリング装置の制御装置の制御機能ブロック図である。 電源電圧が低下する状態を示す図である。 操舵角に対するモータ電流の特性例を示す図である。 電流特性で出力ゲインを低減させた場合の立ち上がり特性を説明する図である。 センサ出力にオフセット分を付加した場合を説明する図である。 ゲート−ソース間電圧とドレイン−ソース間のオン抵抗との関係を示す図である。 電源電圧の変化に対するセンサ出力の特性例を示す図である。 電源電圧の低下に伴うモータ電流特性のずれを説明する図である。

符号の説明

１ 操向ハンドル
７ トルクセンサ
８ モータ
１０ コントロールユニット
１２ ヒューズ
１３ イグニッションスイッチ
２１ 電流ドライブ回路
２２ 操舵トルク演算部
２６ 操舵補助指令値演算部
３６ 最大電流制限部
３７ 電流制御部
３９ 電源電圧検出手段

Claims (4)

1. トルクセンサからのトルク信号に基づいて、コントロールユニットによって電動モータの作動を制御し、減速機構を介してステアリングシャフトの操舵補助を行うようにした電動パワーステアリング装置において、
   前記コントロールユニットに、車載電源の電源電圧信号を検出する電源電圧検出手段と、
   前記電源電圧検出手段によって検出された電源電圧に基づいて、出力を多段階で抑制する出力抑制手段とを備え、
   前記出力抑制手段により、電源電圧が低下し、第１基準値（Ｖ１）になった時に、前記電動モータの最大駆動電流を制限し、前記第１基準値（Ｖ１）より小さく、かつ前記トルクセンサからの出力が低下するような電源電圧値である第２基準値（Ｖ２）になった時に、モータ制御出力ゲインを低減し、前記第２基準値（Ｖ２）より小さい第３基準値（Ｖ３）になった時に、出力をオフにするようにしたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記出力抑制手段は、電源電圧が低下して、前記第１基準値（Ｖ１）より小さくなると、最大電流を制限する最大電流制限手段と、電源電圧が前記第２基準値（Ｖ２）より小さくなると、モータ制御の出力ゲインを低減する操舵補助指令値演算部とを備えた請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記出力抑制手段は、電源電圧が低下して、前記第１基準値（Ｖ１）より小さくなると、最大電流を制限する最大電流制限手段と、電源電圧が前記第２基準値（Ｖ２）より小さくなると、前記トルクセンサからの出力に予め設定されたオフセットを付加する操舵トルク演算部とを備えた請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記出力抑制手段は、電源電圧が低下して、前記第２基準値（Ｖ２）より小さくなると、前記出力ゲインを低減するとともに、前記トルクセンサからの出力に予め設定されたオフセットを付加して、ハンドルの中立位置のずれを補正するようにした請求項１記載の電動パワーステアリング装置。

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